光学单元和投影型显示装置制造方法

光学单元和投影型显示装置制造方法
【专利摘要】本发明提供同时改善去往DMD的入射光和来自DMD的反射光的效率来实现高亮度的光学单元和具备它的投影型显示装置。使在DMD上反射的光源光投影的投影型显示装置的光学单元中，TIR棱镜的一个棱镜包括：第一界面，隔着规定距离与其它棱镜的光源光出射面平行配置，被来自其它棱镜的光源光入射；和第二界面，与DMD相对设置，出射对DMD照明的光源光，并被来自DMD的反射光入射，当令DMD的微小反射镜的摆动角为±θ，该棱镜的折射率为n，第一界面与第二界面所成的角度为β，第二界面上的光源光去往DMD的出射角为α时，使摆动角θ、折射率n、角度β、角度α满足规定的关系。
【专利说明】光学单元和投影型显示装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及至少包括两个棱镜，使DMD等反射型显示元件的入射反射光的光轴调 整变得容易的光学单元和投影型显示装置。

【背景技术】
[0002] 在投影型显示装置即投影仪中，作为能够实现小型高亮度光学单元的影像显示元 件，微镜型影像显示元件DMD (Digital Micromirror Device:数字微镜器件）受到瞩目。 DMD根据影像信息对按像素配置的微镜的摆动角度分别进行控制，将DMD入射光分离为向 投影透镜入射的方向（0N光，即投影光)和不向投影透镜入射的方向（OFF光，S卩非投影光)， 由此进行与影像信息对应的光调制。
[0003] 在使用DMD的光学单元的光学系统中，为了使射向DMD的入射光与DMD的反射光 的光轴不同，需要使入射光的光轴相对于DMD的面法线倾斜规定量。此处，令DMD的反射镜 的旋转角在投影时（即该反射镜对应的像素为0N时）倾斜+ Θ、在不投影时（即该反射镜对 应的像素为OFF时)倾斜-Θ的情况下，DMD入射光一般相对于DMD的中心光轴倾斜2 Θ入 射。
[0004] 此处，作为向DMD照射光的光学结构的方式之一，已知有使用全反射棱镜和补偿 棱镜这两个三角棱镜的方式（以下，记作全反射棱镜方式)。全反射棱镜方式中，一般在使 DMD入射光从补偿棱镜和全反射棱镜透射之后使其入射到DMD的微镜。另一方面，通过使 DMD反射光在全反射棱镜的全反射面上全反射而使光向投影透镜方向传播，形成将DMD入 射光的光路和DMD反射光的光路分离的结构。此外，补偿棱镜具有对因各光线从全反射棱 镜中通过的位置的不同而在两个棱镜中产生的光程差进行补偿的功能。这样的全反射棱镜 方式能够有效地分离DMD入射光和DMD反射光，因此适用于投影仪用光学单元的小型化。
[0005] 例如在专利文献1中就公开了按照上述全反射棱镜方式对DMD照射光源光的投影 仪。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1 :日本特开2004-240050号公报


【发明内容】

[0009] 发明所要解决的问题
[0010] 在上述全反射棱镜方式中，全反射棱镜的全反射面一般相对于DMD的反射镜面设 置成45度。但是，如果为了确保明亮度而导入相当于DMD的规定的F值（F-number)的光 束，则从DMD反射的反射光的一部分会因相对于全反射棱镜的全反射面以小于临界角的角 度入射而从全反射棱镜透射。其结果是，光学单元整体的效率变差，产生屏幕上的照度变暗 的问题。
[0011] 针对这样的问题，在专利文献1中记载了以使得全反射棱镜的全反射面相对于 DMD的反射镜面成为45度以上的方式形成棱镜来改善这一问题的技术。由此，对有效反射 光能够确保临界角，能够防止画质降低。
[0012] 但是，上述专利文献1中仅考虑了改善全反射棱镜的全反射条件，未涉及DMD入射 光的效率。如果像专利文献1公开的那样使全反射棱镜的全反射面为45度以上，则在DMD 入射光所通过的补偿棱镜中会产生新的效率的降低，从考虑DMD入射光与反射光双方的光 学效率的角度来看，会产生光学单元的效率没有得到改善这一新问题。
[0013] 本发明是鉴于上述状况而完成的，其目的在于提供一种同时改善去往DMD的入射 光的效率和来自DMD的反射光的效率并由此实现高亮度的光学单元，和具备该光学单元的 投影型显示装置。
[0014] 解决问题的技术手段
[0015] 为解决上述问题，本发明提供一种投影型显示装置的光学单元，光源光入射到该 光学单元，并由该光学单元投影从影像显示元件反射的光源光，其中，所述光学单元包括具 有光源光的折射面或全反射面的多个棱镜，所述多个棱镜中的一个棱镜包括：第一界面，隔 着规定距离与其它棱镜的光源光的出射面平行地配置，来自其它棱镜的光源光入射到该第 一界面；和第二界面，与影像显示元件相对地设置，出射对影像显示元件进行照明的光源 光，并且来自所述影像显示元件的反射光入射到该第二界面，当令该棱镜的折射率为n，所 述第一界面与所述第二界面所成的角度为β，第二界面上的光源光去往所述影像显示元件 的出射角为α，第二界面上的来自所述影像显示元件的反射光的入射角为ε时，使折射率 η、角度β、角度α、角度ε满足规定的关系，在所述第一界面上使从所述第二界面入射的 来自影像显示元件的反射光全反射。
[0016] 并且，在影像显示元件由以规定角度摆动的多个微小反射镜构成的情况下，当令 所述影像显示元件的微小反射镜的摆动角为土 Θ，该棱镜的折射率为η，所述第一界面与 所述第二界面所成的角度为β，第二界面上的光源光去往所述影像显示元件的出射角为 α时，使摆动角Θ、折射率η、角度β、角度α满足规定的关系，在所述第一界面上使从所 述第二界面入射的来自影像显示元件的反射光全反射。
[0017] 发明效果
[0018] 根据本发明，能够提供一种同时改善去往DMD的入射光的效率和来自DMD的反射 光的效率而由此实现高亮度的光学单元，和具备该光学单元的投影型显示装置。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 图1是表示实施例的光学单元的概略结构的图。
[0020] 图2是表示实施例的DMD入射光和各界面的入射出射角度的图。
[0021] 图3是表示实施例的DMD微镜上光线的入射与反射的关系的概略图。
[0022] 图4是表示实施例的DMD反射光与各界面的入射出射角度的关系的图。
[0023] 图5a是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系1的图。
[0024] 图5b是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系2的图。
[0025] 图5c是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系3的图。
[0026] 图5d是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系4的图。
[0027] 图6a是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系5的图。
[0028] 图6b是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系6的图。
[0029] 图6c是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系7的图。
[0030] 图6d是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系8的图。
[0031] 图7a是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系9的图。
[0032] 图7b是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系10的图。
[0033] 图7c是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系11的图。
[0034] 图7d是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系12的图。
[0035] 图8a是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系13的图。
[0036] 图8b是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系14的图。
[0037] 图8c是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系15的图。
[0038] 图8d是表示全反射棱镜的顶角与DMD入射光角度的关系16的图。
[0039] 附图标记说明
[0040] 1、2、3 :LED光源，4、5、6 :聚光透镜，7 :正交二向色棱镜，8 :透镜阵列器件，9、10 : 中继透镜，11 :补偿棱镜，12 :全反射棱镜，13 :DMD，14 :投影透镜，100 :光学单元

【具体实施方式】
[0041] 以下使用附图对适用本发明的光学单元和具备该光学单元的投影型显示装置的 实施方式的一个例子进行说明。不过，本发明并不由以下说明所限定。此外，在各图中，在 表示相同作用的结构部件的情况下，使用部分相同的附图标记(例如仅后缀不同）。
[0042] 本实施例中的全反射棱镜适用于使入射光透射而引导至影像显示元件，并使从影 像显示元件反射的光在全反射面上全反射而引导至投影透镜的方式。此外还存在使入射光 在全反射面上全反射而引导至影像显示元件，并使从影像显示元件反射的光透射而引导至 投影透镜的方式，但是因为该方式与本实施例中记载的条件不一致所以不属于本发明的范 围。
[0043] (实施例1)
[0044] 图1是表示实施例的光学单元的概略结构的图。实施例1是对三种波长分别准备 光源，按时序驱动光源而使各波长的光源光照射至DMD的单片式投影型显示装置的光学单 元的例子。光学单元的结构并不限定于图1的结构，例如也可以采用以高压水银灯为光源 并利用色轮进行分色的方式。此外，还能够将本发明应用于三片式投影型显示装置的DMD 光学单元和使用反射型液晶器件的光学单元。
[0045] 光学单元100配置有出射规定波长或波段的光束的光源1、光源2、光源3。光源1 例如是出射中心波长为约615nm的红色光束的LED光源。光源2例如是出射中心波长为约 525nm的绿色光束的LED光源。光源3例如是出射中心波长为约460nm的蓝色光束的LED 光源。其中，各中心波长也可以不是上述的值，只要能够识别为三原色即可。
[0046] 从光源1、2、3分别出射的光束被聚光透镜4、5、6转换为大致平行的光，之后分别 从不同的方向入射到正交二向色棱镜7。
[0047] 正交二向色棱镜7例如由波长选择性反射面7a和7b构成，该波长选择性反射面 7a具有使红色光束反射、使蓝色光束和绿色光束透射的功能，该波长选择性反射面7b具有 使蓝色光束反射、使红色光束和绿色光束透射的功能，由此该正交二向色棱镜7具备将入 射到该正交二向色棱镜7的三色光束合成的功能。
[0048] 由正交二向色棱镜7合成的光束经过在入射侧和出射侧设置有由多个透镜构成 的透镜阵列的透镜阵列器件8和中继透镜9、10后，向补偿棱镜11入射。这些光学元件具 备形成照度均匀的照明光，并使该光以期望的角度传播的功能，并不限定于图1所示的包 括透镜阵列器件8和中继透镜9、10的结构，也可以采用其它光学系统结构。
[0049] 从中继透镜10通过的光束通过补偿棱镜11的入射面11a和出射面11b，进而在通 过全反射棱镜12的斜面12a和面12b后，照射到DMD13。补偿棱镜11对由全反射棱镜12 产生的光程差进行补偿，具有使入射在DMD面板上各处的光束的光程差最小的功能。另外， 为了使光高效地传播，补偿棱镜11的出射面lib与全反射棱镜12的斜面12a彼此平行，设 置有规定间隔的空气间隙。
[0050] 从DMD13的微镜面反射的光束改变角度再次通过全反射棱镜的面12b，在斜面12a 上全反射。斜面12a的最大的特点是使DMD反射光全反射，因此下文中将斜面12a称为全 反射面。在全反射面12a上反射的光束从面12c通过后，经投影透镜14在屏幕(未图示)上 显示放大投影的影像。
[0051] 本实施例给出能够利用上述全反射棱镜和补偿棱镜使DMD入射光和DMD反射光总 体上不发生效率损失的方案。
[0052] 接着，根据图2说明从补偿棱镜11透射过全反射棱镜12而照射到DMD13上的入 射光的光路的详细情况。在以下的附图中，DMD13的微镜处于中立位置（中性位置，neutral position)时的微镜面被设置成与全反射棱镜12的面12b平行，以DMD13的微镜处于中立 位置时的微镜面为绝对坐标系中的基准面进行说明。
[0053] 图2表示从补偿棱镜11的入射面11a通过后的DMD入射光的主光线20到达DMD13 前的入射出射角度的关系。此处，令全反射棱镜12的折射率为nl，补偿棱镜11的折射率为 n2。此外，如图2所示，令全反射棱镜的顶角(全反射面12a与面12b所成的角）为β，入射 光的主光线与DMD面的法线所成的角为α。
[0054] 当令DMD入射光的主光线20相对于补偿棱镜出射面lib的入射角为Φ 1、在全反 射棱镜12的全反射面12a上折射时的折射角为Φ 2时，由于补偿棱镜的出射面lib与全反 射棱镜12的全反射面12a如图所示那样彼此平行，因此，基于折射定律，有式（1)的关系成 立。
[0055] n2 · sin Φ l=nl · sin Φ 2 (1)
[0056] 接着，令DMD入射光的主光线20相对于面12b的入射角为Φ 3,则有式（2)成立。
[0057] Φ2+Φ3=β (2)
[0058] 进一步，令在全反射棱镜12的面12b上折射时的折射角，即去往DMD13的入射角 为α，则有式（3)的关系大致成立。
[0059] nl · sin Φ 3=sin α (3)
[0060] 图3是针对DMD13内的一个微镜表示主光线的入射与反射的关系的光线图。令DMD 入射光的主光线为20, DMD反射光的主光线为30, DMD微镜31的旋转角为土 Θ。在DMD13 显示0N光时，S卩，使光向投影透镜传播时，微镜31如图所示那样，在以逆时针方向为正的情 况下，以相对于DMD面倾斜+ Θ的状态，使入射光反射。此时，若令反射光相对于DMD法线 (中立位置时的法线）的角度为Φ4,则使用微镜31的倾斜角Θ和DMD入射光主光线的入 射角α，Φ4由式（4)给出。
[0061] φ 4= α -2 θ (4)
[0062] 图4表示在DMD13上反射后的DMD反射光的主光线30经全反射棱镜12的全反射 面12a到达投影透镜前的面12c之前的入射出射角度的关系。首先，若令DMD反射光的主 光线3再次入射到面12b时产生的折射角为Φ 5,则有式（5)的关系成立。
[0063] sin Φ 4=nl · sin Φ 5 (5)
[0064] 接着，若令DMD反射光的主光线30相对于全反射面12a的入射角为Φ 6,则有式 (6)成立。
[0065] β+φ5=Φ6 (6)
[0066] 此处，为了使DMD入射光和DMD反射光总体上不发生效率损失，需要满足两个条 件。第一条件是使DMD反射光在全反射棱镜12的全反射面12a上全反射。第二条件是使 DMD入射光不在补偿棱镜11的出射面lib上全反射、即全部透射。为了满足这两个条件，不 仅需要改变全反射棱镜的顶角β，而且还要考虑DMD入射光主光线的入射角α。在上述专 利文献1，虽然考虑了前者之条件但是未考虑后者之条件。
[0067] 并且，在这些条件中，光线角度不仅需要考虑DMD入射光主光线的角度，而且还需 要考虑在具有规定的有效F值的发散度的光束内的光线角度。在DMD的旋转角为土 Θ时， 将DMD入射光和反射光高效分离时能够导入的有效光束的发散度是相对于主光线角度从 + Θ至-Θ的范围内的光束。g卩，实际传播的光束是具有土 Θ的发散度的光束。
[0068] 在DMD入射光主光线20的入射角度为α时，实际上作为有效的光束入射的是从 α - Θ至α + Θ的角度的光束。此外，在DMD反射光主光线30的反射角度相对于DMD法线 以Φ4的角度反射时，实际上作为有效光束反射的是从Φ4-Θ至Φ4+Θ的光束。对处于 该范围内的所有光线，需要满足上述两个条件。
[0069] 有效DMD反射光束中最难以满足上述第一条件的相对于全反射面12a入射角度最 小的光线，是以Φ 4-Θ的角度在DMD反射的光线。此外，有效DMD入射光束中最难以满足 上述第二条件的相对于出射面lib入射角度最大的光线，是以α-θ的角度对DMD入射的 光线。因此，以这些角度为DMD入射反射角度的条件。
[0070] 基于以上的前提，导出能够使入射光和反射光总体上不发生效率损失的条件。首 先，作为第一条件，DMD反射光在全反射棱镜12的全反射面12a全反射的条件是，DMD反射 光相对于全反射面12a的入射角Φ6大于全反射棱镜12的临界角δ 1，即满足式（7)。
[0071] Φ6 > δ 1 (7)
[0072] 其中，临界角大致由δ PsirT1 (1/nl)表示。
[0073] 将式（4)至式（6)代入式（7)。进一步，如果将DMD反射光角度中最难以满足式（7) 的光线角度即Φ4-Θ作为DMD反射光角度代入，则结果有式（8)的关系成立。
[0074] -sin (a-3 0)<nl*sin (β -sirf1 (1/nl)) (8)
[0075] 接着，作为第二条件，DMD入射光在补偿棱镜11的出射面lib上全部透射的条件 是，DMD入射光相对于出射面lib的入射角Φ 1小于补偿棱镜11的临界角δ 2,即满足式 (9)。
[0076] Φ 1 < δ 2 (9)
[0077] 其中，临界角由δ 2=8:^1 (1/η2)表示。
[0078] 将式（1)至式（3)代入式（9)。进一步，如果将DMD入射光角度中最难以满足式（9) 的光线角度即α-θ作为DMD入射光角度代入，则结果有式（10)的关系成立。
[0079] sin (a-0)>nl*sin (β -sirf1 (1/nl)) (10)
[0080] 此处应当注意的是式（10)中不包含补偿棱镜11的折射率n2和临界角δ 2。艮p， 意味着上述两个条件不依赖于补偿棱镜11的玻璃材料。
[0081] 根据式（8)和式（10)，使DMD入射光和DMD反射光总体上不发生效率损失所需的 全反射棱镜的条件能够由式（11)表示。
[0082] -sin ( a -3 Θ ) < nl · sin ( β -sirf1 (1/nl)) < sin (α-θ) (11)
[0083] 通过采用满足该范围的入射角a和顶角β的全反射棱镜的结构，能够使DMD入 射光和DMD反射光均不发生损失地传播。因此能够实现屏幕上的图像很明亮的高亮度投影 仪。
[0084] 另外，补偿棱镜11的入射面11a与出射面lib所成的角度（图2中的角度γ )需 要设定成使对DMD13的两端入射的入射光20彼此的光程差变得最小。通过使光程差为最 小，入射光在DMD13上聚焦，因此能够使得光没有模糊，高效率地传播光。
[0085] 此外，入射光20去往补偿棱镜11的入射角度例如能够通过中继透镜10来设定。 通过使中继透镜10倾斜或偏移（Offset)，能够自由地设定入射角度。由此，中继透镜10的 配置和形状当然不限定于图1的记载。
[0086] 此外，补偿棱镜11和中继透镜10也可以被形成为一体。通过采用一体的结构，使 补偿棱镜11的入射面11a为透镜曲面形状，能够减少部件数，能够实现低成本和透射率的 改善。
[0087] 接着，利用图5a?图8d具体说明在将实际存在的DMD的旋转角设为± Θ时可采 用的全反射棱镜的折射率nl、全反射棱镜的顶角i3、DMD入射角α的范围。
[0088] 图5a?图5d所表示的是，在DMD旋转角Θ处于11度至13度的范围内的情况下， 当作为代表值设DMD旋转角Θ =12度时，对于全反射棱镜的折射率nl的全反射棱镜的顶角 β与DMD入射角α的关系。在DMD旋转角为± 12度的情况下，通过导入相对于DMD入射 光主光线±12度的光束能够实现最大的明亮度。这意味着是相当于F值为2.4的光束。
[0089] 图5a?图5d作为一个例子设全反射棱镜12的折射率在波长525nm时为1. 58至 1. 61。图5a是表不折射率nl为1. 58的情况下的α与β的关系的图，图5b是表不折射 率nl为1. 59的情况下的α与β的关系的图，图5c是表示折射率nl为1. 60的情况下的 α与β的关系的图，图5d是表示折射率nl为1.61的情况下的α与β的关系的图。
[0090] 通常而言，越是折射率大的玻璃材料，其材料成本越高，透射率的波长依赖性也存 在劣化的趋势。但是，对于折射率小的玻璃材料，全反射棱镜12的临界角δ 1也变小，满足 式（11)的条件将成为不现实的值。根据以上说明，将折射率假定为1.58?1.61。折射率 nl得到确定，全反射棱镜12的临界角δ 1也就确定了。
[0091] 通过将DMD旋转角Θ和全反射棱镜的折射率nl即临界角δ 1设定为规定的值， 式（11)变成表示α与β的关系的不等式。图5a?图5d成为表示由式（11)所决定的，在 入射光和出射光中均不发生效率损失的全反射棱镜的顶角β与DMD入射光角度α的关系 的图。
[0092] 在图5a?图5d，直线51是式（9)所示的DMD反射光在全反射棱镜12的全反射面 12a上全反射的条件。只要是比直线51大的范围，反射光就会全反射。如图所示，在DMD入 射角α相同时，全反射棱镜的顶角β越大，全反射面12a的全反射条件就越宽松。
[0093] 直线52是式（10)所示的DMD入射光在补偿棱镜11的出射面lib上透射的条件。 只要是比直线52小的范围，入射光就会透射。与上述相反，在DMD入射角α相同时，全反 射棱镜的顶角β越大，一部分光束就会全反射，因此顶角β越小越好。
[0094] 但是，DMD入射光的入射角度α最通常的是相对于DMD的中心光轴倾斜2 Θ入射。 另一方面，即使α为比2 Θ大的角度也存在满足式（11)的β。并且，如果考虑Θ和nl的 制造上的偏差，则优选α比2Θ大。
[0095] 但是，如果α变大，则关于DMD反射光会产生若干问题。其中一个是在DMD的两端 反射的光束的光程差变大。如果光程差变大则通过投影透镜的光束在屏幕上的成像关系发 生劣化，影像会变模糊。此外，由于DMD反射光相对于全反射棱镜的面12b与垂直相比发生 很大倾斜地入射，所以角度α越大波长引起的色差的问题就越显著。另外，由于DMD反射 光照射至全反射面12a的位置大幅地偏移，所以会产生全反射棱镜的尺寸变大的问题。因 此，在图5的例子中由于DMD旋转角为±12度，所以考虑到这些问题将入射角α例如设定 为25度以下(表示为虚线53)。
[0096] 观察图5a即使用折射率nl=l. 58的玻璃材料时的α与β的关系，根据附图可 知，优选24度< α彡25度、46. 3度彡β彡47. 4度，且进入由图中的点P、Q、R包围成的 三角形的范围内的α与β的组合。同样，在图5b即使用折射率nl=l. 59的玻璃材料的情 况下，优选24度<α<25度、45.9度<β<47.1度，且进入由图中的点P、Q、R包围成 的三角形的范围内的α与β的组合。在图5c即使用折射率nl=l. 60的玻璃材料的情况 下，优选24度< a <25度、45. 6度彡β <46. 7度，且进入由图中的点P、Q、R包围成的 三角形的范围内的α与β的组合。在图5d即使用折射率nl=l. 61的玻璃材料的情况下， 优选24度< a <25度、45. 3度< β <46. 4度，且进入由图中的点P、Q、R包围成的三角 形的范围内的α与β的组合。
[0097] 这样，能够根据全反射棱镜的玻璃材料折射率nl相应地将a、β按规定的值组 合，实现入射光和出射光总体上不发生效率损失的光学单元。
[0098] 图6a?图6d中，在与图5a?图5d相同地使DMD旋转角的代表值为±12度时， 假定全反射棱镜的玻璃材料折射率nl为比图5小的值。图6a至图6d作为一个例子设全 反射棱镜12的折射率在波长525nm时为1. 51至1. 54。图6a是表示折射率nl为1. 51的 情况下的α与β的关系的图，图6b是表示折射率nl为1. 52的情况下的α与β的关系 的图，图6c是表不折射率nl为1. 53的情况下的α与β的关系的图，图6d是表不折射率 nl为1. 54的情况下的α与β的关系的图。实线51、实线52和虚线53的条件的说明与 图5a?图5d相同因此省略。
[0099] 观察图6a即使用折射率nl=l. 51的玻璃材料时的α与β的关系，根据附图可 知，优选24度< α彡25度、48. 8度彡β彡50.0度，且进入由图中的点P、Q、R包围成的 三角形的范围内的α与β的组合。同样，在图6b即使用折射率nl=l. 52的玻璃材料的情 况下，优选24度< α <25度、48.4度< β <49.6度，且进入由图中的点？、〇、1?包围成 的三角形的范围内的α与β的组合。在图6c即使用折射率nl=l. 53的玻璃材料的情况 下，优选24度< α <25度、48.0度彡β <49.2度，且进入由图中的点P、Q、R包围成的 三角形的范围内的α与β的组合。在图6d即使用折射率nl=l. 54的玻璃材料的情况下， 优选24度< α <25度、47. 7度< β <48.8度，且进入由图中的点？、〇、1?包围成的三角 形的范围内的α与β的组合。
[0100] 这样，即使在全反射棱镜的折射率小的情况下，也能够通过将顶角β构成为47度 至50度左右的大的值，实现入射光和出射光总体上不发生效率损失的光学单元。
[0101] 图7a至图7d表示的是，在DMD旋转角Θ处于16度至18度的范围的情况下，将 比图5a至图6d大的Θ =17度假定为代表值时，对于全反射棱镜的折射率nl的全反射棱镜 的顶角β与DMD入射角α的关系的图。
[0102] 在DMD旋转角为±17度的情况下，通过导入相对于DMD入射光主光线±17度的 光束能够实现最大的明亮度。这意味着是相当于F值为1. 7的光束。
[0103] 图7a至图7d作为一个例子设全反射棱镜12的折射率在波长525nm时为1. 58至 1.61。图7a是表不折射率nl为1.58的情况下的α与β的关系的图，图7b是表不折射 率nl为1. 59的情况下的α与β的关系的图，图7c是表示折射率nl为1. 60的情况下的 α与β的关系的图，图7d是表示折射率nl为1.61的情况下的α与β的关系的图。
[0104] 在图7a至图7d的例子中，由于DMD旋转角为±17度，所以考虑到上述的光程差 和色差的问题，将入射角α例如设定为35度以下(表示为虚线53)。观察图7a即使用折 射率nl=1.58的玻璃材料时的α与β的关系，根据附图可知，优选34度< α <35度、 49. 4度彡β彡50. 5度，且进入由图中的点P、Q、R包围成的三角形的范围内的α与β的 组合。同样，在图7b即使用折射率nl=l. 59的玻璃材料的情况下，优选34度< α <35度、 49.0度彡β彡50. 1度，且进入由图中的点P、Q、R包围成的三角形的范围内的α与β的 组合。在图7c即使用折射率nl=l. 60的玻璃材料的情况下，优选34度< α <35度、48. 7 度彡β彡49. 8度，且进入由图中的点P、Q、R包围成的三角形的范围内的α与β的组 合。在图7d即使用折射率nl=l. 61的玻璃材料的情况下，优选34度< α <35度、48. 3度 彡β彡49. 4度，且进入由图中的点P、Q、R包围成的三角形的范围内的α与β的组合。
[0105] 这样，即使在DMD旋转角变大的情况下，也能够通过将顶角β构成为48度至50. 5 度左右的大的值，使用折射率为1. 59左右不那么大的玻璃材料也能实现入射光和出射光 总体上不发生效率损失的光学单元。
[0106] 图8a至图8d中，在与图7a至图7d同样地使DMD旋转角的代表值为±17度时， 假定全反射棱镜的玻璃材料折射率nl为比图7大的值。图8a至图8d作为一个例子设全 反射棱镜12的折射率在波长525nm时为1. 68至1. 71。图8a是表示折射率nl为1. 68的 情况下的α与β的关系的图，图8b是表示折射率nl为1. 69的情况下的α与β的关系 的图，图8c是表不折射率nl为1. 70的情况下的α与β的关系的图，图8d是表不折射率 nl为1. 71的情况下的α与β的关系的图。实线51、实线52和虚线53的条件的说明与 图7相同因此省略。
[0107] 观察图8a即使用折射率nl=l. 68的玻璃材料时的α与β的关系，根据附图可 知，优选34度< α彡35度、46.0度彡β彡47. 1度，且进入由图中的点P、Q、R包围成的 三角形的范围内的α与β的组合。同样，在图8b即使用折射率nl=l. 69的玻璃材料的情 况下，优选34度< α <35度、45. 7度< β <46.8度，且进入由图中的点？、〇、1?包围成 的三角形的范围内的α与β的组合。在图8c即使用折射率nl=l. 70的玻璃材料的情况 下，优选34度< α <35度、45. 4度彡β <46. 5度，且进入由图中的点P、Q、R包围成的 三角形的范围内的α与β的组合。在图8d即使用折射率nl=l. 71的玻璃材料的情况下， 优选34度< α彡35度、45. 1度彡β彡46. 1度，且进入由图中的点P、Q、R包围成的三角 形的范围内的α与β的组合。
[0108] 这样，通过使全反射棱镜的折射率为1. 69附近，能够使顶角β在45度至47度附 近，因此能够使成像光学系统更加小型化，同时实现入射光和出射光总体上不发生效率损 失的光学单兀。
[0109] 如上所述，通过采用具有本实施例所示那样的顶角的全反射棱镜和入射光角度的 结构，能够提供全反射棱镜成本低廉、成像性能不会劣化、总体上不发生效率损失的高亮度 的光学单兀。
[0110] 不过，本实施例中假定的数值和范围只不过表示一个例子，并不限定于此。例如， 即使玻璃材料的折射率和DMD旋转角的组合发生变化，只要DMD入射光角度和全反射棱镜 的顶角满足式（11)的范围即可。
[0111] (实施例2)
[0112] 在上述实施例1中，作为影像显示元件以DMD为例进行了说明，但是当然不限定于 此。只要能够使以某个角度入射的光以规定的反射角度反射即可，可以为任何影像显示元 件。例如可以想到具备这样的影像显示元件的情况，即，入射光的主光线相对于影像显示元 件的法线以角度α入射，并且主光线相对于影像显示元件的法线以角度ε反射。作为这 样的影像显示元件的一个例子，存在反射型液晶器件。
[0113] 此时，具有规定的有效F值的发散度的光束需要分离成入射和反射。如果实际的 光束相对于主光线角度具有± Θ的发散度而传播，则在入射光主光线的入射角度为α时， 实际上作为有效的光束入射的是从α-θ至α + θ的角度的光束，在反射光主光线的反射 角度为ε时，实际上作为有效的光束出射的是从ε-θ至ε + θ为止的角度的光束。此外， 入射反射光束在彼此相邻时最有效率地被分离。
[0114] 即，在α-θ和ε-θ成为相同角度时，最有效率地被分离。如果考虑附图标记， 则α、ε、Θ能够由式（12)表示。
[0115] ε = α -2 Θ (12)
[0116] 此处，Θ如在DMD的实施例中说明的那样为DMD旋转角，并且表示F值的发散度， 因此，如果将式（12)代入式（11)而消除Θ，则能够使用影像显示元件的入射角度α和反 射角度ε通过式（13)来表示为了使DMD入射光和DMD反射光总体上不发生效率损失而需 要的全反射棱镜的顶角β的条件。
[0117] sin (( α -3 ε ) /2) < nl · sin ( β -sirf1 (1/nl)) <sin((a + e)/2) (13)
[0118] 这样，即使影像显示元件不是DMD而是一般的反射元件，也能够通过采用满足式 (13)的顶角β的全反射棱镜的结构，使DMD入射光和DMD反射光均没有损失地传播光。因 此能够实现屏幕上的图像很明亮的高亮度投影仪。
[0119] 此外，通过将本实施例中记载的光学单元100,与电源部、光源、影像显示元件等驱 动电路部和信号处理单元组合而得到投影型显示装置，能够实现不发生效率损失的高亮度 的投影型显示装置。
[0120] 另外，本发明并不限定于上述的实施例而包括各种变形例。例如，上述的实施例为 了易于明白地说明本发明而详细地进行的说明，并不必须限定于具备所说明的所有结构。
【权利要求】
1. 一种投影型显示装置的光学单元，光源光入射到该光学单元，并由该光学单元投影 从影像显示元件反射的光源光，其特征在于 ： 所述光学单元包括具有光源光的折射面或全反射面的多个棱镜， 所述多个棱镜中的一个棱镜包括： 第一界面，隔着规定距离与其它棱镜的光源光的出射面平行地配置，来自其它棱镜的 光源光入射到该第一界面；和 第二界面，与影像显示元件相对地设置，出射对影像显示元件进行照明的光源光，并且 来自所述影像显示元件的反射光入射到该第二界面， 当令该棱镜的折射率为n，所述第一界面与所述第二界面所成的角度为β，第二界面 上的光源光去往所述影像显示元件的出射角为α，第二界面上的来自所述影像显示元件的 反射光的入射角为ε时， 满足sin((a-3e)/2)〈n-sinW-sirTHl/n)) <sin((a + e)/2)的关系，在所述 第一界面上使从所述第二界面入射的来自影像显示元件的反射光全反射。
2. -种投影型显示装置的光学单元，光源光入射到该光学单元，并由该光学单元投影 从影像显示元件反射的光源光，所述影像显示元件由以规定角度摆动的多个微小反射镜构 成，所述光学单元的特征在于： 所述光学单元包括具有光源光的折射面或全反射面的多个棱镜， 所述多个棱镜中的一个棱镜包括： 第一界面，隔着规定距离与其它棱镜的光源光的出射面平行地配置，来自其它棱镜的 光源光入射到该第一界面；和 第二界面，与影像显示元件相对地设置，出射对影像显示元件进行照明的光源光，并且 来自所述影像显示元件的反射光入射到该第二界面， 当令所述影像显示元件的微小反射镜的摆动角为土 Θ，该棱镜的折射率为n，所述第 一界面与所述第二界面所成的角度为β，第二界面上的光源光去往所述影像显示元件的出 射角为a时， 满足-sin ( a-3 Θ ) < n ?sin ( β-sirT1 (1/n)) < sin ( a - Θ )的关系，在所述第一界面 上使从所述第二界面入射的来自影像显示元件的反射光全反射。
3. 如权利要求2所述的光学单元，其特征在于： 所述影像显示元件的微小反射镜的摆动角Θ处于11度至13度的范围， 所述棱镜的折射率η处于1. 58至1. 61的范围， 所述出射角a处于大于24度的范围， 所述棱镜的角度β满足45. 3度< β <47. 4度。
4. 如权利要求2所述的光学单元，其特征在于： 所述影像显示元件的微小反射镜的摆动角Θ处于11度至13度的范围， 所述棱镜的折射率η处于1. 51至1. 54的范围， 所述出射角a处于大于24度的范围， 所述棱镜的角度β满足47. 7度< β < 50. 0度。
5. 如权利要求2所述的光学单元，其特征在于： 所述影像显示元件的微小反射镜的摆动角Θ处于16度至18度的范围， 所述棱镜的折射率η处于1. 58至1. 61的范围， 所述出射角α处于大于34度的范围， 所述棱镜的角度β满足48. 3度< β < 50. 5度。
6. 如权利要求2所述的光学单元，其特征在于： 所述影像显示元件的微小反射镜的摆动角Θ处于16度至18度的范围， 所述棱镜的折射率η处于1. 68至1. 71的范围， 所述出射角α处于大于34度的范围， 所述棱镜的角度β满足45. 1度< β < 47. 1度。
7. -种投影型显示装置，其特征在于，包括： 影像显示元件，由以规定角度摆动的多个微小反射镜构成； 光源，出射红色光束、蓝色光束和绿色光束的各自的光； 正交二向色棱镜，将所述光源的各波长的光束的光路合成； 透镜阵列，使所述正交二向色棱镜的出射光束均匀化； 补偿棱镜，所述透镜阵列的出射光束入射到该补偿棱镜，由该补偿棱镜对光束的光程 差进行补偿； 包括第一界面和第二界面的全反射棱镜，其中所述第一界面隔着规定距离与所述补偿 棱镜的出射面平行地配置，来自所述补偿棱镜的光源光束入射到该第一界面，所述第二界 面与影像显示元件相对地设置，出射对影像显示元件进行照明的光源光束，并且来自所述 影像显示元件的反射光束入射到该第二界面；和 投影透镜，将所述全反射棱镜的出射光束放大投影， 不在所述补偿棱镜发生光束损耗地，在所述第一界面上使从所述第二界面入射的来自 影像显示元件的反射光全反射，通过所述投影透镜进行放大投影。
【文档编号】G02B5/04GK104122741SQ201410073987
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2013年4月26日
【发明者】永泽充, 大西邦一, 大内敏, 中村俊辉 申请人:日立乐金光科技株式会社